聚乙烯的力学性能
XXX
（学号：57011090XX 学院：材料学院专业班级：高分子092班）
摘要：聚乙烯是半结晶热塑性材料。它们的化学结构、分子量、聚合度和其他性能很大程度上均依赖于使用的聚合方法。聚乙烯的力学性能一般，拉伸强度较低，抗蠕变性不好，耐冲击性好。冲击强度LDPE>LLDPE>HDPE，其他力学性能LDPE<LLDPE<HDPE。主要受密度、结晶度和相对分子质量的影响，随着这几项指标的提高，其力学性能增大。根据实际需要，还有许多其他种类的聚乙烯，不同种类的力学性能也有所不同。
关键词：聚乙烯力学性能结晶度密度
一、聚乙烯的结构
聚乙烯为线形聚合物，具有同烷烃相似的结构，属于高分子长链脂肪烃，由于-C-C-链是柔性链，且是线性长链，因而聚乙烯是柔性很好的热塑性聚合物。由于分子对称且无极性基团存在，因此分子间作用力比较小。聚乙烯分子链的空间排列呈平面锯齿形，其键角为109.3o，齿距为2.534*10-10m。由于分子链具有良好的柔顺性与规整性，是的聚乙烯的分子链可以反复折叠并整齐堆砌排列形成结晶。
根据红外光谱的研究发现，聚乙烯分子链中含有支链，用不同的聚合方法所得到的聚乙烯含支链的多少有较大的区别。在中等压力(15-30大气压)有机化合物催化条件下进行Ziegler-Natta 聚合而成的是高密度聚乙烯(HDPE)。这种条件下聚合的聚乙烯分子是线性的，且分子链很长，分子量高达几十万。如果是在高压力(100-300MPa)，高温(190–210C)，过氧化物催化条件下自由基聚合，生产出的则是低密度聚乙烯(LDPE)，它是支化结构的。研究结果表明，高压法得到的低密度聚乙烯比低压法得到的高密度聚乙烯含有更多的支链。除了分子主链的两端含有侧甲基外，还有一部分侧甲基是连在乙基支链、丁基支链或更长的支链末端上。这些支链的形成，是在聚合过程中由于链转移而产生的。支链的存在会影响到分子链的反复折叠和堆砌密度，导致密度降低，结晶度减小。聚乙烯中长支链的存在会影响到其流动性，未支化的聚合物与相同相对分子质量的长链支化的聚合物相比较，后者的熔体黏度比前者低。因此，低密度聚乙烯与高密度聚乙烯相比，其熔融温度低、流动性好。
二、聚乙烯的力学性能
聚乙烯无臭、无味、无毒，外观呈乳白的蜡状固体。其密度随聚合方法不同而异。聚乙烯块状料是半透明或不透明状，薄膜是透明的，透明性随结晶度的提高而下降。聚乙烯膜的透水性低但透气性较大，比较适合用于防潮包装。聚乙烯易燃，氧指数值仅为17.4%，是最易燃烧的塑料品种之一。
聚乙烯的力学性能一般，从其拉伸时的应力-应变曲线来看，聚乙烯属于一种典型的软而韧的聚合物材力学性能
料。聚乙烯拉伸强度比较低，表面硬度也不高，抗蠕变性差，只有抗冲击性能好。这是由于聚乙烯分子链是柔性链，且无极性基团存在，分子链间吸引力较小，但是由于聚乙烯是结晶度比较高的聚合物，结晶部分发结晶结构，即分子链的紧密堆砌赋予其一定的承载能力，所以聚乙烯的强度主要是结晶时分子的紧密堆砌程度所提供的。
聚乙烯的化学结构、分子量、聚合度和其他性能很大程度上均依赖于使用的聚合方法。聚合方法决定了支链的类型和支链度。结晶度取决于聚合物的化学结构和加工条件。所以不同聚合方法聚乙烯的力学性能有所不同。下表为不同聚合方法制得的聚乙烯的一般力学性能。
三、影响聚乙烯力学性能的因素
聚乙烯的力学性能受密度、结晶度和相对分子质量的影响大，随着这集中指标的提高，其力学性能增大。密度增大，除冲击强度以外的力学性能都会提高。但聚乙烯的密度取决于结晶度，结晶度提高，密度就会增大，而结晶度又与大分子链的支化程度密切相关，而支化程度又取决于聚合方法。因此，高密度聚乙烯由于支化低，因此结晶度高、密度大，各项力学性能均较高，但韧性较差。而低密度聚乙烯则正好相反，由于其支化程度大，因此结晶度低，密度小，各项力学性能较低，但冲击性能较好。相对分子质量越高，大分子间缠结点和吸引点也就越多。这样，其拉伸强度、表面硬度、耐磨性、耐蠕变性、耐老化性和耐溶剂性都会有所提高，耐断裂伸长率则会降低。
四、聚乙烯改性 性能 高压法
低压法 中压法 0.92g/cm 3 0.94
g/cm 3
0.95g/cm 3 0.96
g/cm 3 -CH 3/1000碳原子 20 23 28 31
33 — 5～7 5～7 5～7 <1.5 数均分子量/*103 48 23 28 24
20 — — — — — 拉伸强度/MPa 15.5 12.6 10.5 9.0 — 21
25.5 23.6 23.6 约28 冲击强度/(kJ/m 2) 约54 约54 约54 约54 约54 —
17.4 10.8 8 27 断裂伸长率/% 620 600 500 300 150
— >800 >380 20 500
聚乙烯的改性方法主要有氯化、氯磺化、交联聚、共混、加填充剂和表面改性等。
1.氯化聚乙烯以氯部分取代聚乙烯中的氢原子而得到的无规氯化物。氯化是在光或过氧化物的引发下进行的，工业上主要采用水相悬浮法来生产。由于原料聚乙烯的分子量及其分布、支化度及氯化后的氯化度、氯原子分布和残存结晶度的不同，可得到从橡胶状到硬质塑料状的氯化聚乙烯。当氯含量为25%到40%时，拉伸强度、耐应力开裂性较低。主要用途是作聚氯乙烯的改性剂，以改善聚氯乙烯抗冲击性能。氯化聚乙烯本身还可作为电绝缘材料和地面材料。
2.氯磺化聚乙烯当聚乙烯与含有二氧化硫的氯作用时，分子中的部分氢原子被氯和少量的磺酰氯(-SO2Cl)基团取代，就得到氯磺化聚乙烯。主要的工业制法为悬浮法。氯磺化聚乙烯耐臭氧、耐化学腐蚀、耐油、耐热、耐光、耐磨和抗拉强度较好，是一种综合性能良好的弹性体，可用以制作接触食品的设备部件。
3.交联聚乙烯采用辐射法（X射线、电子射线或紫外线照射等）或化学法（过氧化物或有机硅交联）使线型聚乙烯成为网状或体型的交联聚乙烯。其中有机硅交联法工艺简单，操作费用低，且成型与交联可分步进行，宜采用吹塑和注射成型。交联聚乙烯与聚乙烯相比，拉伸、冲击强度、模量、硬度、刚度均提高，的耐热性、耐环境应力开裂性及机械性能均比聚乙烯有较大提高，而伸长率下降。适于作大型管材、电缆电线以及滚塑制品等。
4.聚乙烯的共混改性所谓共混改性，就是PE与其他聚合物通过机械方法混合制得的一类共混材料。例
如LDPE柔软，但力学性能和气密性较差，不适用于只做薄膜等软制品。因此，将两者掺混后，可制得柔硬适中的PE材料，就可用于加工薄膜及其他制品，产品性能比低密度聚乙烯好。不同密度的PE共混后，一些性能随着比例呈现规律性的变化，如密度、结晶度、硬度、软化点等基本上按共混物中组分比例所计算的算术平均值、拉伸强度和断裂伸长率有一定的特殊性。LDPE中加入少量EVA后成为柔性材料，适合于泡沫塑料的生产，与HDPE泡沫塑料相比具有柔软、模量低等特点。
5.填充改性所谓填充改性，是在塑料成型加工过程中加入无机填料或有机填料，使塑料制品的成本降低达到增量的目的，或是是塑料制品的某些性能有明显改善。常用的无机填料有碳酸盐（碳酸钙、碳酸镁）、硫酸盐、硅酸盐（硅酸钙、硅酸镁）、氧化物（氧化铝）、单质（金属、石墨）；有机类有木粉、煤粉等。例如，碳酸填充树脂可明显增量、降低成本，同时提高制品刚性、耐热性和尺寸稳定性等；填充滑石粉可起到一定增强作用，提高材料的刚度、高温抗蠕变和耐热等性能。填料的几何形状、表面形态、粒径大小和分布、长径比、物理和化学性质都直接影响到填充树脂的性能。
6.表面改性填料与聚合物都是不相容的，填充剂的表面处理是填充改性的关键。通常采用偶联剂处理改善截面状态，提高树脂与填充剂间的粘合性，以增加材料强度。常采用的偶联剂有硅烷偶联剂和太酸酯类偶联剂等。
五、其他种类的聚乙烯
1.超高相对分子质量聚乙烯
超高相对分子质量聚乙烯（UHMWPE）指的是相对分子质量超过1000000的聚乙烯。UHMWPE
的结构与HDPE完全相同，只是相对分子质量比HDPE要高两个数量级。由于具有超高相对分子质量，UHMWPE具有独特的性格：高的拉伸强度、高模量、高韧性、卓越的耐摩擦性和极高的熔体粘度。它的许多力学性能和使用性能已达到或超过工程塑料的水平，可用于制作机械零部件。
2.茂金属聚乙烯
茂金属聚乙烯是一种新颖热塑性塑料，是90年代聚烯烃工业最重要的技术进展，是继 LLDPE 生产技术后的一项重要革新。由于它是使用茂金属(MAO) 为聚合催化剂生产出来的聚乙烯，因此，在性能上与传统的 Ziegler-Natta 催化剂聚合而成的PE 有显著的不同，具有许多传统聚乙烯从未有过的独特特性，如相对分子质量高而且分布窄、支链短而少、密度低、纯度高、高拉伸强度、高透明性、高抗冲击性、耐刺穿性好、热封温度低等。这是由于茂金属催化剂有理想的单活性位点，从而能精密控制相对分子质量及其分布、共聚单体含量及其在主链上的分布和结晶结构。属于一类新型聚乙烯。
3.乙烯共聚物
乙烯可以和其他单体进行共聚，从而改善各方面的性能。例如乙烯－醋酸乙烯共聚物（ＥＶＡ），随
着乙酸乙烯酯（VA）的含量的不同而使其力学性能有不同的改善。由乙烯和不同的第二单体共聚，力学性能都会不同程度改变，随着我们对产品性能的需求越来越高和越来越多样化，各种乙烯共聚物也都应运而生。
六、总结
聚乙烯（PE）是中国通用合成树脂中应用最广泛的品种，主要用来制造薄膜、容器、管道、单丝、电线电缆、日用品等。随着石油化工的发展，聚乙烯生产得到迅速发展，产量约占塑料总产量的1/4。但聚乙烯的力学性能一般，为了获得具备我们所需力学性能的聚乙烯，可以通过改变其聚合方法，例如低压法生产高密度聚乙烯，高压法生产低密度聚乙烯。还可通过氯化、氯磺化、交联、共混、加填充料和表面改性等方法对其进行改性，从而改善其各方面性能。随着社会的需求不断增加，许多其他种类的聚乙烯也被研发出来，都能改善其性能。由于聚乙烯的社会需求量巨大，聚乙烯行业的发展前景将一片光明。
参考文献
[1] 凌绳，王秀芬，吴友平编著. 聚合物材料. 北京：中国轻工业出版社，2009
[2] 张帆，周伟敏主编. 材料性能学. 上海：上海交通大学出版社，2009
[3] 王聪增主编. 材料性能学[M]. 北京：北京工业大学出版社，2001
[4] baike.baidu/view/11277.htm
[5] baike.baidu/view/2284133.htm
[6] wenku.baidu/view/502b79235901020207409cef.html